蔬菜水肥一体化研究进展分析

吴现兵，白美健，李益农，章少辉，史 源

(1. 中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048； 2. 河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001)

水肥一体化的雏形最早可追溯到18世纪末，英国的乌特沃尔特将植物种植在土壤的提取液中使其生长，之后无土栽培技术在英国、美国、荷兰和以色列等国家先后发展起来。而以节水、节肥和水肥高效利用为目的的水肥一体化技术最早是20世纪60年由以色列人发明，之后在以色列快速普及和发展。自20世纪70年我国开始试验并发展和普及水肥一体化技术，目前已在多种粮食作物、经济作物、蔬菜、果树和花卉等作物中应用[1]。

水肥一体化也称水肥耦合，即将肥溶解于灌溉水中通过一定的工程技术措施随水一起进入田间的作物根区供作物快速、高效利用，以达到节水、节肥、增产、增质、省工、省时、减污等目的。然而，并非水肥耦合一定就可达此目的，水肥耦合对作物的效应可能产生三种现象，即协同效应、叠加效应和拮抗效应。叠加效应是水、肥各自独立的对作物产生作用，拮抗效应是水肥相互制约、互相抵消，其结果可能对作物产生负效应，协同效应是水、肥协同配合、相互促进来影响作物的生长已达到高产、优质的目的。由此可见，在作物的生长发育期内如何最大限度地发挥水肥的协同效应，是相关领域学者需要深入分析和研究的主要问题。

蔬菜作为人们生活的必需品，其种植规模在逐年扩大，由于人们普遍认为蔬菜只有“大水大肥”才能高产的错误观念，过量水肥导致土壤微环境逐渐恶化，使得蔬菜出现减产、降质、病虫害频发等一系列问题。要解决这些问题必须因地制宜对蔬菜的需水、需肥规律和水肥因素之间的耦合机理进行深入研究，以正确充分发挥水肥之间的协同效应，达到保证蔬菜增产增质的同时提高水肥高效利用，减轻农业污染，使农业生态环境良性循环、农业生产和谐可持续发展。

1 研究现状分析

1.1 蔬菜水肥一体化研究进展分析

蔬菜不同于小麦、玉米等粮食作物，蔬菜生育期内对水分、养分、光和温度等感应极为敏感，不适宜的水分和养分供应、过多或过少的日辐射量、过高或过低的环境温湿度等都可能加剧蔬菜病虫害的发生几率和出现减产、降质等一系列问题。为了攻克这一系列难题，园艺学、土壤学、作物营养学、农业水土工程等相关领域专业学者近几十年开展了大量的研究工作，在中国知网检索统计蔬菜、小麦、玉米、棉花、马铃薯、大豆、花生、苹果、葡萄、梨、桃和柑橘等作物有关水肥一体化的期刊文章共1 154 篇(截止2018年3月)，其中有关蔬菜的期刊文章407篇；硕博论文共310篇，其中有关蔬菜的共81篇，分别占总数的35.27%和26.13%，各作物的具体占比如图1所示。检索番茄、黄瓜等常见的11种蔬菜有关水肥一体化的期刊文章和硕博论文占比情况如图2所示，可见在蔬菜的研究文献中，番茄占比最大，以番茄为例对公开发表的40篇硕博论文进行统计分析发现，87.5%的论文中研究了水肥一体化对番茄产量和其生长指标的影响，80%的论文中研究了水肥一体化对番茄品质的影响，5%的论文中对不同灌水施肥方式进行了对比分析。对论文的发表日期进行统计如图3所示，自2003开始，有关水肥一体化方面的研究成果逐年总体呈增长趋势，尤其是2012年之后论文的发表数量明显增多，而且研究内容从单纯的试验数据分析比较向水肥对作物的作用机理方面深入，从水肥一体化对蔬菜生长发育影响向蔬菜耗水规律、最优水肥管理模式等方面发展。

图1 期刊和硕博论文研究的主要作物类型篇数分布

图2 期刊和硕博论文研究的主要蔬菜类型篇数分布

图3 番茄水肥一体研究成果数量统计

1.2 水肥一体化对蔬菜生长、产量和品质影响研究进展

在影响作物生长的诸多因素中，水、肥是其中人为易控的关键两因素，Harmnato等[2]通过进行田间对比试验发现，在番茄生育期内不论是水分亏缺还是过饱和都会对其株高、茎粗、叶面积等生长指标和产量造成影响。肖自添[3]在温室内研究了基质栽培条件下，水氮协同对番茄产量和品质的影响，并利用回归方程分析了水分与氮素施用量对产量的影响，结果表明水肥交互存在阈值，只有适当的水肥配比才会使得作物增产明显，同样水、肥用量过高或过低也会影响番茄品质，主要表现在糖酸比指标的浮动较大。邱渊等[4]通过盆栽试验并利用回归方程分别分析了不同灌水量和N、P、K用量对番茄产量的影响，结果发现，灌水量、施氮量和施钾量对番茄产量存在阈值上限，施磷量对番茄产量存在阈值下限，并提出使番茄经济产量最高的最佳灌水和N、P、K施用量。袁宇霞等[5]在设施栽培滴灌施肥条件下研究发现，灌水下限和施肥量对番茄株高、叶面积、干物质累积、产量等的影响均存在阈值，而且在不同灌水下限和施肥量条件下番茄产量与干物质量、番茄产量与叶片的净光合速率均呈显著线性相关。

有关不同灌溉施肥方式下水肥一体化对蔬菜的生长与产量的影响方面，Hebbar等[6]人对滴灌施肥和沟灌施肥进行了对比，结果发现滴灌水肥一体化比沟灌水肥一体化在番茄干物质累积、LAI和产量方面分别高出29.74%、64.0%、20.84%。王欣[7]在日光温室中采用滴灌和沟灌施肥两种水肥一体化模式对比试验也得出类似的结论，滴灌水肥一体化模式下番茄产量、株高、茎粗、LAI、地上部分干物质量、水分利用效率均显著高于沟灌施肥，其中，产量高出沟灌15%～31.2%，水分利用效率高出沟灌90%以上。也有学者以蔬菜产量和品质为因变量研究水肥一体化对其影响，结果发现在阈值范围内蔬菜产量随着水肥用量的增加而增加，但蔬菜中的硝酸盐含量、可溶性蛋白、可滴定酸含量与肥料用量呈显著正效应、与灌水量则呈显著负效应，而Vc、还原糖、可溶性糖则随着灌水量的增加呈现“稀释效应”[8, 9]。

1.3 水肥一体化对蔬菜养分、水分利用率影响研究进展

1.4 水肥一体化对蔬菜产量影响模拟研究进展

虞娜等[14]以产量为因变量，灌水量、N和K用量为自变量，建立数学回归模型对番茄的模拟研究表明，灌水下限对番茄产量的影响显著程度大于施N量、施K量影响最小，并且得出在灌水下限为85%θf、N肥用量为327.13～352.01 kg N/hm2、K肥用量为295.69～330.17 kg K2O/hm2时，番茄产量最高可达104.70～105.55 t/hm2。而陈修斌等[15]建立数学回归模型对西葫芦的模拟研究发现，对西葫芦产量影响最显著的为施N量，其次为灌水量，施K量影响最小(这与虞娜等人研究结果一致)，并且当西葫芦在生育期内灌水量为2 815.5 m3/hm2，N、K用量分别为583.1、265.4 kg/hm2时，产量最高可达88.58 t/hm2。陈碧华等[16]以产量为因变量，灌水定额和施肥定额为自变量，建立数学回归模型研究发现，灌水定额和施肥定额2因素与产量之间存在极显著的回归关系，然后通过对各项回归系数进行显著性检验，去除不显著项后重新建立了优化的回归方程，并以此方程模拟得出番茄的灌水定额为2 710.95 m3/hm2、施肥定额为264.6 kg/hm2时，产量可达到最高为116.25 t/hm2。

2 研究展望

2.1 扩大蔬菜水肥一体化的研究地域

水肥一体化大多配以滴灌等高效节水灌溉措施，该技术的应用具有明显的节水作用，而我国水资源时空分布极不均匀，对于干旱及半干旱区对农业节水措施进行研究推广和普及更具实际意义，以番茄水肥耦合研究为例，截至目前从中国知网可检索到硕/博文共计40篇，文献试验研究地域统计如图4所示，极度缺水的陕甘宁地区最多，占总量的50%；其次是华北地区占总量的22.5%，而水资源较为丰富的华中、华南等地区极少。

图4 有关番茄水肥耦合硕博文研究地域统计

由已有研究文献可知，蔬菜对水肥吸收利用存在阈值，水肥亏缺或过量都不利于作物的生长，且产量和品质会降低，而且水肥一体化正确发挥水肥的协同作用，既可以显著对蔬菜增产、提质，又能减轻农业面源污染、改善生态环境。因此，应进一步扩大在水资源丰富地区蔬菜水肥一体化的研究和推广。

2.2 建立模拟蔬菜生长发育过程及产量预测的机理型模型

目前就水肥一体化条件下蔬菜生长模拟模型大多是以产量为因变量，灌水量和施肥量为自变量建立的数学回归模型，这些模型为纯数学模型，其优点是可以准确地计量各因素之间的相关程度和回归拟合程度的高低、除因变量和自变量外模拟结果不受其他因素或参数的影响，模型建立方便、简单；缺点是模型通用性差，缺乏机理性研究，只能单纯反映设定的因变量和自变量之间的关系，不能反映对其他参数或指标的影响。现有的机理型模型如WOFOST、AquaCrop、EPIC、APSIM等，包含气象、土壤、作物生长、田间管理等多种模块，融合了气象学、植物生理学、作物栽培学、土壤学、农业工程等多个学科和领域，这些模型基本能够较详细的定量描述作物的生理生态过程，能比较精确的描述光照、温度、水分、养分等要素对作物生长发育的影响，但就国内外已有文献统计发现，大多用来模拟小麦、玉米、水稻、豆类等[17-21]作物，极少见有对蔬菜的生长发育过程和产量预测等的报道，因此，应建立可精确定量描述各种蔬菜的生理生态过程的机理型模型用以指导蔬菜高效生产。

2.3 蔬菜水肥一体化条件下需水、需肥规律研究

目前对蔬菜作物需/耗水规律的研究已有较多报道[22-26]，这些研究大多是采用某种节水灌溉技术，设定不同的灌水下限研究蔬菜在生育期内的需/耗水规律。只考虑灌水量单因素的蔬菜需/耗水规律与水肥一体化条件下的蔬菜需/耗水规律存在一定差异，因为水肥协同可增大LAI、提高水分利用效率，影响叶片的气孔导度，影响光合、呼吸、蒸腾等作用，从而对蔬菜的需/耗水规律产生一定影响，另外，水肥协同条件下，考虑“以肥调水、以水促肥”效应，蔬菜对N、P、K等养分的需求量与常规施肥相比在各生育阶段存在明显不同。因此，应进一步加强研究蔬菜水肥一体化条件下需水、需肥规律，并建立计算模型对蔬菜的需水、需肥量进行模拟、预测，这对“适时、适地、适量”精准灌溉施肥意义重大。

2.4 深入研究区域蔬菜种植结构优化问题

蔬菜不同于大田粮食作物，具有种植时间随机性大、生育期较短、一年多茬、产量高、经济效益明显、种植面积逐年增大等特点。考虑到经济效益，使得一个地区某一时期种植蔬菜种类和品种随机性很大，频繁出现某一蔬菜品种连作情况，使得蔬菜的产量、品质明显下降。为此应深入研究不同区域不同时期不同蔬菜种类对土壤环境的适应性问题，分析水肥一体化条件下农田土壤物理、化学、生物学时空变异特性及规律，结合环境气象数据、蔬菜生长习性等，建立数学模型，通过数值模拟对区域蔬菜作物的种植结构进行优化。

随着科学技术的飞速发展，“3S”、计算机、互联网、无人机等技术已应用到许多领域，并取得了大量有价值的成果。对于农业生产，可将其与作物种类、水肥因子、土壤特性、气象条件、管理措施等有机结合起来，建立水肥高效利用管理信息平台，发展智慧农业和精量灌水施肥，以此来指导区域农业生产，将会大大促进区域农业生产向高产、优质和高效方向发展。

3 结 语

水肥供应时机和供应量对蔬菜的产量和品质均会产生较大的影响，为了寻求不同蔬菜的需水需肥规律，国内外学者进行了大量的试验研究，并取得了丰硕的成果。本文在对已有研究分析的基础上，根据存在的问题提出了今后我国蔬菜水肥一体化研究应向哪些方向发展的一些建议，以期为水肥一体化技术进一步在蔬菜生产中深入研究提供理论支持，并在蔬菜增产增质、区域节水节肥等方面也具有重要意义。